Нагревание электрическим током
С помощью электрического тока нагрев можно производить в очень широком диапазоне температур, точно поддерживая и легко регулируя температуру нагрева в соответствии с заданным технологическим режи-
И А. Г. Касаткин
чесниц газ холодный
-&8
Рис. УИІ-8. Нагревательная установка с падающей насадкой:
/ — верхняя камера для нагрева твердого теплоносителя; 2 — бункер для твердого теплоносителя; 3 — герметический затвор; 4 — бункер нижней камеры; 5 — нижняя камера для нагрева технологического газа; 6 — циклон для очистки технологического газа; 7 — циклон для очистки топочных газов; 8 — газодувка.
322 Га. VIIJ. Нагревание, охлаждение и конденсация мом. Кроме того, электрические нагревательные устройства отличаются простотой, компактностью и удобны для обслуживания. Однако применение электрического тока для нагрева пока относительно дорого. Это связано с многоступенчатостью преобразования химической энергии топлива в электроэнергию. Строительство мощных электростан- ций открывает большие возможности для удешевления этого Способа нагрева. \ В зависимости от способа превращения электрической энергии в тепло различают нагревание электрическими сопротивлениями (омический на- грев), индукционное нагревание, высокочастотное нагревание, а также нагревание электрической дугой. Нагревание электрическим сопротивлением. Это наиболее распростра- ненный способ нагревания электрическим током. Нагрев осуществляется в электрических печах сопротивления (рис. УШ-9) при прохождении тока через нагревательные эле- менты 2 и 3, выполненные в виде проволочных спиралей или лент. Нагревательные элементы из- готавливаются главным образом из хромо-железо- алюминиевых сплавов, обладающих большим омическим сопротивлением и высокой жаростой- костью (нихромы или фехрали). Тепло, выделяю- щееся при прохождении электрического тока через нагревательные элементы, передается стен- кам обогреваемого аппарата 1, Печь футеруют изнутри огнеупорной кладкой 4 и покрывают сна- ружи слоем тепловой изоляции, например слоем шлаковой ваты. Для периодического осмотра электронагревателей электропечь снабжаетея опускным устройством 5. При питании печи трех- фазным током температуру нагрева обычно регу- лируют переключением проводников со звезды на треугольник и соответствующим изменением потребляемой мощности или отключением отдельных секций нагревательных элементов. Назревание сопротивлением производят также с помощью проволочных проводников, которые намотаны на керамические сердечники, заключенные в трубы и набираемые в секции. Такие стандартные нагревательные элементы применяются, в частности, в котлах для ВОТ. Нагрев электрическими сопротивлениями позволяет достигать температур 1000— 1100 °с. Расчет электронагревателей заключается в определении потребной мощности, на основе которой'находят необходимую силу тока и сопротивление Я нагревателя. По величине подбирают материал, сечения и длину проводников. Кроме того, по уравнениям теплопередачи должна быть вычислена поверхность элементов, при которой заданное количество тепла будет передаваться нагреваемой среде (в основном излучением) без чрезмерного повышения температуры и перегорания нагревателя. Расчет электронагревателей приводится в специальной литературе *, Индукционное нагревание. Этот способ нагревания электрическим током основан на использовании теплового эффекта, вызываемого вихревыми токами Фуко, возникающими в толщине стенок стального аппарата под воздействием переменного электрического поля. Аппарат с индукционным электронагревом подобен трансформатору, первичной обмоткой которого служат индукционные катушки, а магнитопроводом и вторичной катушкой — стенки аппарата. сопротивления: "/ — обогреваемый аппарат; 2 — боковые секции нагревательных элементов; 3 — донная секция нагревательного элемента; 4 — футероока печи; 5 — устройство для опускания футеровки. См., например: Свенчанский. Электрические промышленные печи. Ч. 1. М., Госэнергоиздат, 1958.
7. Нагревание электрическим током 323 На рис. VIII-10 показан реакционный аппарат с мешалкой, снабжен- ный внешним индукционным обогревом. Переменное магнитное поле соз- дается с помощью:индукционных катушек 2, которые крепятся на аппарате /. Аппарат снабжен змеевиком 3 и мешалкой 4. Регулирование температуры нагрева производят переключением соединения катушек со звезды на треугольник. Индукционное нагревание обеспечивает равномерный обогрев при температурах, обычно не превышающих 400 °С, и позволяет точно под- держивать заданную температуру нагрева. Электронагреватели отли- чаются малой тепловой инерцией и возможностью точной регулировки температуры. Их работа может быть полностью автоматизирована. Недостатком индукционного нагревания является его дороговизна. Поэтому для повышения эконо- мичности нагревание иногда проводят комбиниро- ванным способом. Сначала продукт в аппарате на- гревают насыщенным водяным паром, проходящим через змеевик 3 (см. рис. УПМО), до температуры приблизительно 180 °С, после чего повышают темпе- ратуру до заданного уровня с помощью индукцион- ного нагрева. Высокочастотное нагревание. Такой способ при- меняют для нагревания материалов, не проводящих электрического тока (диэлектриков), и поэтому часто называют диэлектрическим. Принцип вы- сокочастотного нагревания заключается в том, что молекулы материала, помещенного в переменное электрическое поле, начинают колебаться с частотой поля и при этом поляризуются. Колебательная энергия частиц затрачивается на преодоление тре- ния между молекулами диэлектрика и превращается в тепло непосредственно в массе нагреваемого ма- териала. За счет использования тепла диэлектриче- ских потерь достигается весьма равномерное нагре- вание материала. Использование для нагревания токов высокой частоты (от 10 до 100 Высокочастотный обогрев в химической технологии применяют для нагревания пластических масс перед их прессованием, для сушки некоторых материалов и других целей. Температура нагрева легко и точно регулируется и процесс нагревания может быть полностью автоматизирован. Однако этот способ обогрева требует довольно сложной аппаратуры, и к. п. д. нагревательных установок низок. Поэтому высокочастотному нагреванию рационально подвергать ценные материалы, обогрев которых недопустим другими, более дешевыми, способами. Нагревание электрической дугой. Нагревание производят в дуговых печах, где электрическая энергия превращается в тепло за счет пламени дуги, которую создают между электродами. Над нагреваемым материалом либо помещают оба электрода, либо устанавливают над материалом один электрод, а сам материал выполняет роль второго электрода. Электрическая дуга позволяет сосредоточить большую электрическую мощность в малом объеме, внутри которого раскаленные газы и пары переходят в состояние плазмы. В результате удается получить температуры, достигающие 1500—3000 °С. Дуговые печи применяют для получения карбида кальция и фосфора; крекинга углеводородов; в металлургии их широко используют для плавки металлов. В качестве нагревательных устройств такие печи не применяют вследствие неравномерности обогрева и трудности регулирования температуры нагрева. Рис. У1И-10. Аппарат с внешними индукционными катушками: / — реакционный аппарат; 2 — индукционные катушки; 3 — паровой змеевик; 4 — листовая мешалка.Мгц) обусловлено стремлением устраянть применение опасных высоких напряжений, так как количество выделяющегося в массе диэлектрика тепла пропорционально квадрату напряжения и частоте тока. Токи высокой частоты получают в ламповых генераторах, преобразующих обычный переменный ток частотой 50 гц в ток высокой частоты. Последний подводят к пластинам конденсатора, между которыми помещается нагреваемый материал.
324 Гл. VIII.'Нагревание, охлаждение и конденсация Б. ОХЛАЖДАЮЩИЕ АГЕНТЫ, СПОСОБЫ ОХЛАЖДЕНИЯ И КОНДЕНСАЦИИ